Jakie są główne metody obróbki skrawaniem?

Kształtowanie metalu w sposób precyzyjny, powtarzalny i zgodny z dokumentacją techniczną wymaga zastosowania odpowiednich metod obróbki skrawaniem – procesów polegających na usuwaniu nadmiaru materiału z przygotówki (czyli surowego, jeszcze nieobrobionego kawałka metalu, z którego ma powstać gotowy element) aż do uzyskania zaplanowanej geometrii detalu. Materiał usuwany jest za pomocą narzędzia skrawającego, które fizycznie “odcina” cienkie warstwy metalu – powstający w ten sposób odpad nazywany jest wiórem. To właśnie wybór konkretnej metody decyduje o tym, jak szybko, dokładnie i ekonomicznie powstanie gotowy element – od pojedynczego prototypu wykonywanego na próbę, po wielotysięczną serię produkcyjną realizowaną dla klienta przemysłowego.

W praktyce warsztatowej i przemysłowej technologia obróbki skrawaniem obejmuje kilka podstawowych operacji, które różnią się między sobą sposobem oddzielania materiału, rodzajem stosowanego narzędzia oraz kierunkiem ruchu roboczego – czyli tym, czy porusza się narzędzie, przedmiot obrabiany, czy oba te elementy jednocześnie. W dzisiejszym artykule omówimy najważniejsze z nich, tłumacząc krok po kroku, na czym każda z nich polega, jak wygląda w praktyce oraz kiedy i dlaczego są częścią usług obróbki CNC w każdym nowoczesnym zakładzie obróbczym.

Rodzaje obróbki skrawaniem – krótkie wprowadzenie do klasyfikacji

Zanim przejdziemy do opisu poszczególnych metod, warto uporządkować podstawowy podział, który pomoże zrozumieć, dlaczego istnieje tak wiele różnych sposobów obróbki. Skrawanie CNC dzielimy przede wszystkim na dwie duże grupy, w zależności od tego, jak dokładnie usuwany jest materiał i jakim narzędziem się to robi.

Pierwszą z nich jest obróbka wiórowa. Realizuje się ją narzędziami o ściśle określonej geometrii ostrza – oznacza to, że narzędzie (np. nóż tokarski, frez czy wiertło) ma dokładnie zaprojektowany kształt krawędzi tnącej, znany jeszcze przed rozpoczęciem procesu. W jej trakcie z materiału odrywane są stosunkowo duże, wyraźnie widoczne gołym okiem fragmenty w kształcie spiralek lub drobnych wiórków – stąd nazwa tej grupy metod.

Drugą grupą jest obróbka ścierna, wykonywana narzędziami zupełnie innego rodzaju – takimi jak ściernice (czyli tarcze pokryte drobnymi, twardymi ziarnami ściernymi) czy taśmy ścierne. W tym przypadku liczba i geometria “ostrzy” nie jest z góry znana ani jednolita – każde pojedyncze ziarno ścierne działa jak mikroskopijne narzędzie tnące. Efektem tego procesu jest usuwanie materiału w postaci bardzo drobnych, praktycznie niewidocznych nieuzbrojonym okiem cząstek.

Poniżej skupimy się głównie na obróbce wiórowej, ponieważ to właśnie ona obejmuje najczęściej stosowane w przemyśle metody kształtowania detali – choć do metod ściernych, takich jak szlifowanie, również wrócimy w dalszej części artykułu.

Toczenie – podstawowa metoda obróbki skrawaniem

Toczenie to jedna z najstarszych i najczęściej stosowanych metod obróbki. Polega na tym, że przedmiot obrabiany zostaje zamocowany w uchwycie tokarki i wprawiony w ruch obrotowy wokół własnej osi – można to sobie wyobrazić jak wirujący na kołowrotku garncarskim kawałek gliny, tyle że zamiast dłoni garncarza materiał kształtuje metalowe narzędzie tnące. Nóż tokarski pozostaje nieruchomy względem osi obrotu, ale porusza się wzdłuż lub w poprzek przedmiotu, stopniowo zdejmując z niego warstwy metalu i nadając mu pożądany kształt.

Dzięki takiej zasadzie działania toczenie doskonale sprawdza się przy wykonywaniu elementów, które mają kształt zbliżony do walca lub bryły obrotowej – a więc wałków, tulei, osi napędowych, gwintów zewnętrznych i wewnętrznych, a także powierzchni stożkowych, czyli takich, których średnica zmienia się stopniowo na długości elementu. Jako metoda obróbki skrawaniem toczenie wyróżnia się prostotą samego ruchu roboczego oraz wysoką wydajnością przy obróbce elementów obrotowo-symetrycznych, dlatego wciąż stanowi podstawę wielu zakładów produkcyjnych. Może być realizowane zarówno na tokarkach konwencjonalnych, obsługiwanych ręcznie przez doświadczonego operatora, jak i na tokarkach CNC, gdzie cały proces prowadzony jest automatycznie według wcześniej zaprogramowanej ścieżki narzędzia.

Frezowanie i wiercenie – metody obróbki skrawaniem oparte na ruchu narzędzia

W przeciwieństwie do toczenia, w tej grupie operacji to nie przedmiot, a samo narzędzie wykonuje ruch obrotowy, natomiast przedmiot obrabiany (lub stół maszyny, na którym jest on zamocowany) porusza się względem niego w sposób posuwisty, czyli przesuwa się w określonym kierunku z zadaną prędkością.

Pierwszą z tych metod jest frezowanie. Wykorzystuje się w nim narzędzie zwane frezem – jest to element wyposażony w wiele ostrzy rozmieszczonych na jego obwodzie, które w trakcie obrotu kolejno “odgryzają” niewielkie fragmenty materiału. Frezowanie pozwala kształtować powierzchnie płaskie, powierzchnie krzywoliniowe (czyli o nieregularnym, zaokrąglonym kształcie), a także rowki i kieszenie, czyli wgłębienia o określonym kształcie i głębokości. Metoda ta jest szczególnie istotna przy wykonywaniu skomplikowanych brył trójwymiarowych na nowoczesnych centrach obróbczych, gdzie frez porusza się jednocześnie w kilku osiach, odwzorowując złożony kształt zaprojektowany wcześniej w programie komputerowym.

Kolejną operacją jest wiercenie, a więc wykonywanie otworów o okrągłym przekroju za pomocą wiertła – narzędzia zakończonego charakterystycznym, spiralnie skręconym ostrzem, które w trakcie obrotu wnika w materiał i usuwa go w postaci wiórów wydostających się na zewnątrz przez rowki wiertła.

Do tej samej grupy metod należą również operacje wykończeniowe, które poprawiają jakość już istniejącego otworu. Rozwiercanie polega na delikatnym powiększeniu i wygładzeniu wcześniej nawierconego otworu za pomocą narzędzia o wielu ostrzach, dzięki czemu uzyskuje się znacznie dokładniejszy wymiar i gładszą powierzchnię wewnętrzną niż po samym wierceniu. Pogłębianie natomiast służy do wykonania w otworze dodatkowego, płytszego zagłębienia – na przykład pod łeb śruby, tak aby po jej wkręceniu nie wystawała ona ponad powierzchnię elementu. Ostatnią z wymienianych tu operacji jest gwintowanie otworów, czyli nacinanie w ściankach otworu gwintu wewnętrznego za pomocą narzędzia zwanego gwintownikiem, co umożliwia późniejsze wkręcenie w ten otwór śruby lub innego elementu gwintowanego.

Wszystkie te metody obróbki skrawaniem są dziś w dużej mierze zautomatyzowane – nowoczesne centra frezarskie sterowane numerycznie (CNC) potrafią wykonać dziesiątki różnych operacji podczas jednego zamocowania przedmiotu w maszynie, bez konieczności ręcznego przekładania go i ponownego ustawiania, co znacząco skraca czas całego cyklu produkcyjnego i ogranicza ryzyko pomyłki.

Struganie, dłutowanie i szlifowanie – uzupełniające sposoby obróbki

Rodzaje i sposoby obróbki skrawaniem nie ograniczają się jedynie do opisanych wyżej toczenia, frezowania i wiercenia – w praktyce przemysłowej stosuje się jeszcze kilka innych metod, które warto poznać, aby mieć pełny obraz tematu.

Pierwszą z nich jest struganie i dłutowanie – metody, w których to narzędzie (lub w niektórych przypadkach stół maszyny, na którym leży przedmiot) wykonuje ruch posuwisto-zwrotny, a więc porusza się na przemian w jedną, a potem w drugą stronę, niczym piła podczas cięcia drewna. Podczas ruchu w jednym kierunku narzędzie zagłębia się w materiał i usuwa jego warstwę, natomiast podczas ruchu powrotnego jedynie się cofa, bez kontaktu z przedmiotem. Metody te, choć dziś rzadziej spotykane w produkcji wielkoseryjnej ze względu na mniejszą wydajność w porównaniu z frezowaniem, wciąż sprawdzają się przy obróbce wąskich rowków wpustowych (służących na przykład do osadzania kół zębatych na wałkach) oraz przy kształtowaniu długich, prostoliniowych powierzchni.

Kolejną z uzupełniających metod jest szlifowanie, które – w odróżnieniu od wcześniej opisanych operacji – zalicza się już do obróbki ściernej, a nie wiórowej. Wykorzystuje ono obrotowy ruch narzędzia ściernego, czyli ściernicy – tarczy pokrytej drobnymi, twardymi ziarnami, które w trakcie szybkiego obrotu delikatnie “ścierają” powierzchnię materiału. Dzięki temu szlifowanie pozwala uzyskać bardzo wysoką gładkość oraz dokładność wymiarową powierzchni, znacznie wyższą niż w przypadku toczenia czy frezowania. Z tego powodu stosuje się je najczęściej jako operację finalną, wykańczającą – na przykład przy produkcji łożysk czy elementów precyzyjnych par kinematycznych, czyli części, które współpracują ze sobą w ruchu i muszą do siebie idealnie pasować.

Do tej samej grupy zaliczają się również honowanie i dogładzanie – operacje wykończeniowe stosowane przy najbardziej wymagających powierzchniach, takich jak wewnętrzne otwory cylindrów silników spalinowych, gdzie nawet niewielkie nierówności powierzchni mogłyby prowadzić do nadmiernego zużycia i strat energii w trakcie eksploatacji.

Metody obróbki skrawaniem metali – dobór metody do rodzaju stopu

Skuteczność każdej z opisanych wyżej operacji w dużej mierze zależy od tego, z jakiego materiału wykonany jest przedmiot obrabiany – różne metale zachowują się bowiem zupełnie inaczej pod wpływem narzędzia skrawającego. Metody obróbki skrawaniem metali muszą być dopasowane do trzech kluczowych właściwości danego stopu: jego twardości (czyli odporności na odkształcenia), ciągliwości (zdolności do odkształcania się bez pękania) oraz przewodności cieplnej (czyli tego, jak szybko materiał odprowadza ciepło powstające podczas skrawania).

Stal konstrukcyjna, najczęściej wykorzystywany metal w przemyśle, dobrze poddaje się większości opisanych metod, pod warunkiem zachowania odpowiedniego chłodzenia narzędzia i przedmiotu w trakcie procesu – bez tego narzędzie mogłoby się zbytnio nagrzewać i szybciej zużywać. Stal nierdzewna wymaga już większej ostrożności, ponieważ ma tendencję do tak zwanego utwardzania zgniotowego – oznacza to, że pod wpływem nacisku narzędzia jej powierzchnia staje się coraz twardsza, co utrudnia dalszą obróbkę. Dlatego przy tym materiale stosuje się niższe prędkości skrawania oraz ostrza wykonane z materiałów szczególnie odpornych na ścieranie.

Aluminium i jego stopy obrabia się z kolei przy znacznie wyższych prędkościach, ponieważ jest to metal miękki i lekki, a jednocześnie stosunkowo “lepki” w trakcie skrawania – wióry mają tendencję do sklejania się z ostrzem narzędzia, dlatego istotny jest odpowiedni dobór geometrii ostrza, który temu zapobiega. Mosiądz i brąz zachowują się w trakcie obróbki zupełnie inaczej – tworzą krótki, łamliwy wiór, który łatwo odprowadzić z obszaru skrawania, co znacznie ułatwia i przyspiesza obróbkę, zwłaszcza na automatach tokarskich pracujących bez stałego nadzoru operatora. Najtrudniejsze w obróbce są natomiast tytan i stopy żaroodporne, stosowane między innymi w lotnictwie – ze względu na wysoką twardość i niską przewodność cieplną wymagają one narzędzi wykonanych z bardzo trwałych materiałów, takich jak węgliki spiekane czy ceramika techniczna, a także intensywnego chłodzenia, aby zapobiec przegrzaniu zarówno narzędzia, jak i samego przedmiotu.

Jak dobrać rodzaj obróbki skrawaniem do konkretnego detalu?

Wybór odpowiedniego rodzaju obróbki skrawaniem nigdy nie jest przypadkowy – zależy od kilku czynników, które inżynier lub technolog bierze pod uwagę jeszcze przed rozpoczęciem produkcji. Pierwszym z nich jest geometria elementu, czyli jego kształt – inaczej podchodzi się do obróbki wałka obrotowego, a inaczej do skomplikowanej bryły z kieszeniami i otworami pod różnymi kątami. Drugim czynnikiem jest wymagana tolerancja wymiarowa, a więc dopuszczalne odchylenie od zaplanowanego wymiaru – im wyższa wymagana dokładność, tym częściej konieczne jest zastosowanie dodatkowych operacji wykończeniowych, takich jak szlifowanie. Trzecim jest klasa chropowatości powierzchni, czyli określenie, jak gładka lub szorstka ma być powierzchnia gotowego elementu. Czwartym czynnikiem jest wielkość serii produkcyjnej – inne metody opłaca się stosować przy produkcji jednostkowej, a inne przy wielkoseryjnej. Piątym wreszcie jest sam rodzaj obrabianego materiału, o czym pisaliśmy w poprzedniej sekcji.

W praktyce bardzo często łączy się kilka metod w ramach jednego procesu technologicznego. Typowym przykładem jest sytuacja, w której najpierw wykonuje się zgrubne toczenie, aby szybko nadać przedmiotowi zbliżony do docelowego kształt, następnie frezuje się kieszenie i dodatkowe otwory, a na końcu poddaje się newralgiczne, najbardziej wymagające powierzchnie szlifowaniu wykończeniowemu, które gwarantuje ostateczną, wysoką jakość elementu.

Technologia obróbki skrawaniem CNC – automatyzacja głównych metod

Wszystkie opisane wyżej operacje można dziś realizować zarówno ręcznie, na maszynach konwencjonalnych obsługiwanych przez doświadczonego operatora, jak i w pełni automatycznie. Technologia obróbki skrawaniem CNC (Computer Numerical Control, czyli sterowanie numeryczne komputerowe) polega na tym, że ruchami narzędzia i przedmiotu obrabianego steruje program komputerowy wgrany wcześniej do sterownika maszyny, a nie ręka operatora – co daje kilka istotnych przewag w porównaniu z metodami tradycyjnymi.

Przede wszystkim zapewnia powtarzalność – oznacza to, że każdy kolejny egzemplarz wykonywany w ramach tej samej serii jest praktycznie identyczny z poprzednim, niezależnie od tego, ile sztuk zostanie ostatecznie wyprodukowanych, ponieważ maszyna za każdym razem wykonuje dokładnie te same, zaprogramowane ruchy. Pozwala też osiągnąć bardzo wysoką precyzję, na poziomie tolerancji wymiarowych rzędu setnych części milimetra, a więc dokładności trudnej do osiągnięcia ręcznie nawet przez najbardziej doświadczonego operatora – tolerancje te są zresztą zgodne z klasami dokładności określonymi w międzynarodowych normach ISO. Dodatkową zaletą jest możliwość obróbki wieloosiowej – maszyny wyposażone w cztery lub pięć osi sterowania pozwalają obrobić dany detal z kilku stron podczas jednego zamocowania w uchwycie, bez konieczności wyjmowania go i ponownego ustawiania, co eliminuje błędy wynikające z takiego ponownego bazowania i jednocześnie skraca łączny czas realizacji zlecenia. Nie bez znaczenia jest również pełna integracja z systemami CAD/CAM, a więc oprogramowaniem do projektowania i programowania obróbki – dzięki niej trójwymiarowy model detalu zaprojektowany na komputerze można niemal bezpośrednio przełożyć na gotowy program sterujący pracą maszyny, bez potrzeby ręcznego programowania każdego ruchu narzędzia od podstaw.

Zastosowanie głównych metod obróbki skrawaniem w przemyśle

Opisane wyżej metody znajdują zastosowanie praktycznie w każdej gałęzi przemysłu, w której wykorzystuje się elementy metalowe wykonane za pomocą precyzyjnej obróbki skrawaniem. W motoryzacji i lotnictwie za pomocą obróbki skrawaniem powstają między innymi bloki silników, wały korbowe, elementy zawieszenia oraz łopatki turbin, czyli części, od których zależy bezpieczeństwo i niezawodność całego pojazdu czy samolotu. W medycynie metody te wykorzystuje się do wytwarzania implantów ortopedycznych, precyzyjnych narzędzi chirurgicznych oraz komponentów aparatury diagnostycznej, gdzie każdy milimetr dokładności ma znaczenie dla zdrowia pacjenta. W energetyce obróbka skrawaniem odpowiada za produkcję armatury przemysłowej, zaworów wysokociśnieniowych oraz elementów przekładni, pracujących często w bardzo trudnych warunkach – pod wysokim ciśnieniem czy w wysokiej temperaturze. Z kolei w elektronice i automatyce metody te służą do wykonywania obudów, radiatorów odprowadzających ciepło z podzespołów elektronicznych oraz precyzyjnych komponentów różnego rodzaju mechanizmów.

Jeśli szukasz partnera do realizacji precyzyjnych detali metalowych, sprawdź ofertę naszego zakładu obróbki skrawaniem – dobieramy metodę obróbki do wymagań konkretnego projektu, niezależnie od tego, czy potrzebujesz pojedynczego prototypu, czy produkcji seryjnej liczonej w tysiącach sztuk.

FAQ – najczęściej zadawane pytania

Jakie są główne metody obróbki skrawaniem?

Do najważniejszych należą toczenie, frezowanie, wiercenie, struganie i dłutowanie oraz szlifowanie – każda z nich różni się sposobem, w jaki narzędzie porusza się względem przedmiotu obrabianego, a przez to nadaje się do wykonywania innego rodzaju kształtów.

Czym różni się toczenie od frezowania?

W toczeniu to przedmiot obraca się wokół własnej osi, a nieruchome narzędzie wykonuje ruch posuwowy wzdłuż lub w poprzek niego. We frezowaniu jest odwrotnie – to wieloostrzowe narzędzie się obraca, a przedmiot lub stół maszyny wykonuje ruch posuwisty względem niego.

Która metoda obróbki skrawaniem daje najgładszą powierzchnię?

Najwyższą gładkość i dokładność wymiarową osiąga się metodami ściernymi, a więc szlifowaniem, honowaniem i dogładzaniem, dlatego stosuje się je zwykle jako ostatni etap wykończeniowy, już po wcześniejszym ukształtowaniu detalu metodami wiórowymi.

Jak dobrać metodę obróbki skrawaniem metali do konkretnego stopu?

Decydują o tym przede wszystkim twardość, ciągliwość oraz przewodność cieplna danego materiału – na przykład tytan i stopy żaroodporne wymagają zupełnie innych narzędzi oraz znacznie niższych parametrów skrawania niż miękkie i podatne aluminium czy mosiądz.

Czy wszystkie metody obróbki skrawaniem można zautomatyzować w technologii CNC?

Tak, zdecydowana większość opisanych operacji – toczenie, frezowanie, wiercenie i szlifowanie – jest dziś realizowana na maszynach sterowanych numerycznie, co w porównaniu z metodami ręcznymi znacząco zwiększa precyzję, powtarzalność oraz tempo produkcji.

Ile metod obróbki skrawaniem stosuje się zwykle przy jednym detalu?

W praktyce bardzo często łączy się kilka metod w ramach jednego procesu technologicznego – typowym przykładem jest zgrubne toczenie, następnie frezowanie dodatkowych kieszeni i otworów, a na koniec szlifowanie wykończeniowe najbardziej wymagających powierzchni.

Źródła

• itsi.pollub.pl – materiały dydaktyczne Politechniki Lubelskiej, „Klasyfikacja procesów obróbki”
• toole.pl – „Rodzaje obróbki skrawaniem – kompletny przewodnik po metodach i zastosowaniach”
• cnc-abc.pl – „Rodzaje obróbki skrawaniem”